專業(yè)認(rèn)證背景下基于探索者創(chuàng)新平臺的傳感器課程教學(xué)改革探索*

趙華

南陽理工學(xué)院智能制造學(xué)院 河南南陽 473004

0 引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證是一種國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)[1]。為提高工程教育質(zhì)量以及工程教育國際競爭力，我國于2016年6月正式加入了《華盛頓協(xié)議》，開啟了中國高等教育專業(yè)認(rèn)證之旅。在全國各高校都積極推進(jìn)工程教育專業(yè)認(rèn)證工作之際，南陽理工學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)（簡稱“機(jī)制專業(yè)”）通過不懈的努力，已順利通過該項(xiàng)認(rèn)證。以此為契機(jī)，學(xué)院要求其他各專業(yè)按照工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自評，緊緊圍繞“成果導(dǎo)向、以學(xué)生為中心和持續(xù)改進(jìn)”這三個專業(yè)認(rèn)證的基本理念[2]，對各專業(yè)的培養(yǎng)方案、各課程的教學(xué)大綱等方面進(jìn)行了較大改革。

對于南陽理工學(xué)院不同專業(yè)的學(xué)生而言，涉及傳感器教學(xué)內(nèi)容的課程有機(jī)制專業(yè)的機(jī)械工程測試技術(shù)、測控專業(yè)的傳感器原理與設(shè)計(jì)、自動化專業(yè)的檢測技術(shù)及應(yīng)用等，且都是各專業(yè)的核心課程。同時還有單片機(jī)、控制工程基礎(chǔ)、電氣控制及PLC、測控系統(tǒng)集成與設(shè)計(jì)等課程與傳感器內(nèi)容存在很大的關(guān)聯(lián)，都需要具有一定的傳感器基礎(chǔ)知識。因此，較好地掌握傳感器方面的相關(guān)內(nèi)容對我院學(xué)生達(dá)成畢業(yè)要求、實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)是十分重要的，這對傳感器課程的教學(xué)提出了不小挑戰(zhàn)。

1 傳感器課程教學(xué)現(xiàn)狀

傳感器課程涉及眾多學(xué)科領(lǐng)域（機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等），需要掌握的知識點(diǎn)較多；多數(shù)傳感器教材按檢測原理劃分章節(jié)內(nèi)容，使得各章內(nèi)容之間相互獨(dú)立；傳感器又是智能制造領(lǐng)域各種工業(yè)控制系統(tǒng)不可或缺的檢測環(huán)節(jié)，決定了它較強(qiáng)的實(shí)踐性和快速發(fā)展[3]。這些特點(diǎn)使得學(xué)生在學(xué)習(xí)傳感器課程時經(jīng)常抱怨“內(nèi)容抽象難懂、不系統(tǒng)”等等。

以傳感器原理與設(shè)計(jì)為例，它是南陽理工學(xué)院測控技術(shù)與儀器專業(yè)的專業(yè)平臺必修課。2016 版?zhèn)鞲衅髡n程教學(xué)大綱中，采用理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)形式，學(xué)時分配是理論32 學(xué)時、實(shí)驗(yàn)8 學(xué)時。教師在授課時多是按照傳統(tǒng)教材的編排順序來講，針對每種傳感器從工作原理、轉(zhuǎn)換電路、特性、誤差分析及工程應(yīng)用幾方面進(jìn)行講授。對部分內(nèi)容雖也實(shí)施了項(xiàng)目驅(qū)動、案例教學(xué)，但近似于“紙上談兵”的形式。每堂課教學(xué)容量很飽滿，教師也認(rèn)真地在完成教學(xué)任務(wù)，但從學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及主動性來看，并沒有達(dá)到預(yù)期效果。8 個學(xué)時的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是在THSRZ-1 型傳感器實(shí)驗(yàn)臺上完成的，該實(shí)驗(yàn)臺是模塊式的，每種傳感器模塊都已經(jīng)將傳感器、測量電路、放大電路等連接好，學(xué)生只需要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書插一插導(dǎo)線，記錄一下數(shù)據(jù)，然后按規(guī)定好的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模式完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。受實(shí)驗(yàn)課時和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，缺少關(guān)于傳感器如何正確選型、調(diào)試及測量等生產(chǎn)實(shí)際中綜合應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)。這樣的實(shí)踐環(huán)節(jié)很難支撐學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的提高，更不用說解決復(fù)雜的工程問題。

2016 版大綱中，該課程考核方式采用平時成績10%、實(shí)驗(yàn)成績20%、期末考試70%相結(jié)合的方式。平時成績考核的主要是作業(yè)，沒有過程考核；期末考試也是傳統(tǒng)的閉卷考試方法，不涉及表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)合作、自主學(xué)習(xí)等綜合能力的考核。

在工程教育認(rèn)證已成為高等教育發(fā)展新方向之際，南陽理工學(xué)院測控專業(yè)籌建了機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，并購買了50 萬元的“探索者”機(jī)器人創(chuàng)新教學(xué)與實(shí)踐平臺。根據(jù)工程教育“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為結(jié)果導(dǎo)向”的教育理念，借助教學(xué)、實(shí)踐資源豐富的探索者創(chuàng)新平臺，我們對傳感器課程進(jìn)行了教學(xué)改革，以滿足工程教育認(rèn)證的要求，不斷提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量[4]。

2 傳感器課程教學(xué)改革探索

2.1 修訂教學(xué)大綱

以重新制訂的滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證12 條畢業(yè)能力要求的培養(yǎng)方案為依據(jù)，修訂了傳感器課程教學(xué)大綱。在新的大綱中，將學(xué)時分配改為理論28 學(xué)時，實(shí)踐12 學(xué)時。結(jié)合傳感器課程特點(diǎn)，制定出了該課程的三個課程目標(biāo)。課程目標(biāo)1：掌握智能傳感檢測技術(shù)中的基本概念、基本知識，能夠闡述傳感器及檢測系統(tǒng)的特性，并對測試結(jié)果進(jìn)行預(yù)測或分析。課程目標(biāo)2：運(yùn)用傳感器的基本理論及工程應(yīng)用原理，根據(jù)系統(tǒng)的要求和性能指標(biāo)，正確選擇傳感器、使用傳感器，能夠初步設(shè)計(jì)傳感檢測系統(tǒng)，并對測量結(jié)果進(jìn)行誤差分析和校正。課程目標(biāo)3：能夠針對位移、力、轉(zhuǎn)速、溫度等智能制造中典型的物理量，設(shè)計(jì)檢測方案、搭建測試系統(tǒng)、完成實(shí)驗(yàn)，能分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并得出結(jié)論。課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系如表1所示。

表1 課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系

2.2 整合教學(xué)內(nèi)容

大多數(shù)傳感器教材都是根據(jù)傳感器的原理進(jìn)行章節(jié)劃分的，一般第1、2 章內(nèi)容是傳感器概述及其基本特性，后面的章節(jié)按傳感器原理通常分為電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器、壓電傳感器、光電傳感器、熱電式傳感器、射線式傳感器和生物傳感器等。按照工程教育認(rèn)證“以成果為導(dǎo)向”的要求，根據(jù)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)以及課程目標(biāo)，結(jié)合項(xiàng)目式教學(xué)，以智能制造中典型物理量的測量為主題，將教學(xué)內(nèi)容重新進(jìn)行劃分，重新整合的教學(xué)內(nèi)容如圖1所示。在每個測量模塊中，緊緊圍繞“將知識體系工程化、工程應(yīng)用具體化”的指導(dǎo)思想[5]，將相關(guān)傳感器的轉(zhuǎn)換原理、工作特性以及對應(yīng)的測量電路等基本知識融入具體的項(xiàng)目任務(wù)中。針對位移、力、轉(zhuǎn)速、溫度等智能制造中常見的典型物理量，在具體的任務(wù)情境中，學(xué)生設(shè)計(jì)檢測方案，搭建測試系統(tǒng)，完成最終檢測。在學(xué)習(xí)過程中體會和感悟如何解決工程實(shí)際問題。

圖1 重新整合的教學(xué)內(nèi)容

2.3 融入思政元素

2016年12月，習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議中指出：思想政治理論課要堅(jiān)持在改進(jìn)中加強(qiáng)，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學(xué)生成長發(fā)展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)[6]。根據(jù)教育部《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》中的部署，以重新修訂的人才培養(yǎng)方案為依據(jù)，我們也重新修訂了測控專業(yè)傳感器課程教學(xué)大綱，不僅在各章教學(xué)內(nèi)容中分別融入了思政元素，還在原有課程目標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加了課程育人目標(biāo)：通過學(xué)習(xí)智能傳感技術(shù)在裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中的重要作用，增強(qiáng)學(xué)生的家國情懷和“四個自信”；通過學(xué)習(xí)典型傳感器的工作原理、測量電路以及應(yīng)用，針對具體工程應(yīng)用和環(huán)境，進(jìn)行測控系統(tǒng)與儀器的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、分析和比較，能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)考慮社會、健康、安全、法律、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等因素的影響，體現(xiàn)遵守職業(yè)道德，承擔(dān)社會責(zé)任的素養(yǎng)要求；通過課程實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、工匠精神。表2所示為教學(xué)中所采用的部分思政元素與專業(yè)知識點(diǎn)的融合設(shè)計(jì)。

表2 部分思政元素與專業(yè)知識點(diǎn)的融合設(shè)計(jì)

2.4 加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)

新版教學(xué)大綱中實(shí)踐環(huán)節(jié)由原來的8 學(xué)時增加到12 學(xué)時，分為集中進(jìn)行和分散進(jìn)行兩種形式。集中進(jìn)行的內(nèi)容主要是在THSRZ-1 型傳感器實(shí)驗(yàn)臺上完成，通過幾個基礎(chǔ)型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對典型傳感器的工作原理、測量電路的理解，針對不同的物理量具備基本的檢測技能。分散進(jìn)行的內(nèi)容是綜合性的，借助于“探索者”機(jī)器人創(chuàng)新教學(xué)與實(shí)踐平臺豐富的資源，在開課之初就給出若干個針對不同類型傳感器的實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，比如掃地機(jī)器人、雙輪平衡車、簡易智能家居控制系統(tǒng)、自動稱重系統(tǒng)、電子導(dǎo)盲手杖、搬運(yùn)機(jī)器人等等。要求學(xué)生充分利用“探索者”創(chuàng)新平臺中的各種機(jī)械零件、傳感器、控制器以及電子部件等，組隊(duì)完成其中一個綜合性的題目。每組的項(xiàng)目可以自主選擇，完成時間為開課到課程結(jié)束。從整體方案的設(shè)計(jì)到元器件的選用，從機(jī)械結(jié)構(gòu)的確定到模型完成，從控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)制作到軟件的編寫調(diào)試，都需要全組成員協(xié)力完成。為了學(xué)生順利完成各自的項(xiàng)目，我們把“探索者”機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室做成開放實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，同時任課教師要及時把控各組進(jìn)度，適時給予有效的知識、技能指導(dǎo)。課程結(jié)束后每組的項(xiàng)目集中展示，并制作PPT 進(jìn)行答辯。綜合項(xiàng)目的完成，極大地激發(fā)了學(xué)生的積極性、創(chuàng)新性，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作精神。圖2所示為學(xué)生完成的部分綜合項(xiàng)目實(shí)物展示。

圖2 學(xué)生完成的部分綜合項(xiàng)目實(shí)物展示

因?yàn)槊磕暌M織學(xué)生參加若干個國家級的學(xué)科競賽，參考學(xué)科競賽中的比賽項(xiàng)目，在傳感器開課的學(xué)期，依托“探索者”創(chuàng)新平臺，我們都要舉行一個全地形小車比賽。設(shè)置的場地具有四種不同特性的障礙，如樓梯、管道、獨(dú)木橋、顏色識別并扎破相對應(yīng)顏色氣球等，場地鋪設(shè)黑標(biāo)引線，要求參賽學(xué)生設(shè)計(jì)制作一種全地形功能小車，實(shí)現(xiàn)自主穿越所選定的場景地形。這個比賽對于測控專業(yè)學(xué)生來講是要全員參與的，這能進(jìn)一步提升他們的創(chuàng)新能力、動手能力，同時也為我們參與國賽選拔了優(yōu)秀的人才。圖3所示為學(xué)生用設(shè)計(jì)制作的全地形小車在進(jìn)行比賽。

圖3 全地形小車比賽

2.5 加大過程考核

在新修訂的傳感器教學(xué)大綱中，課程綜合成績?nèi)杂善綍r成績、實(shí)驗(yàn)成績和期末考試成績?nèi)糠纸M成，但所占權(quán)重系數(shù)已由原來的0.1、0.2 和0.7變動為0.2、0.3 和0.5。隨著雨課堂在傳感器教學(xué)中的應(yīng)用，它靈活的隨堂測試功能給理論課學(xué)習(xí)中的過程考核帶來了很大的方便。目前傳感器課程的平時成績包含作業(yè)和課堂表現(xiàn)兩部分，占比各為50%，其中課堂表現(xiàn)成績由雨課堂所記錄的每位學(xué)生每次課堂學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)來最終決定。實(shí)驗(yàn)成績也加大了權(quán)重，不僅包含幾個基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)成績（40%），還有綜合項(xiàng)目的成績（60%）。每組綜合項(xiàng)目實(shí)施過程中，教師在指導(dǎo)時隨時關(guān)注、記錄每位同學(xué)的參與度、與其他同學(xué)合作溝通自主學(xué)習(xí)的能力以及為團(tuán)隊(duì)所作出的貢獻(xiàn)，公平地給出最終的綜合項(xiàng)目成績。

為衡量課程目標(biāo)的達(dá)成情況，制定了對應(yīng)的課程考核環(huán)節(jié)、考核細(xì)則以及相應(yīng)的課程目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算方法，并將課程育人目標(biāo)的考核也融入課程目標(biāo)的考核環(huán)節(jié)中，課程評價內(nèi)容覆蓋了學(xué)生學(xué)習(xí)的各個環(huán)節(jié)。

3 結(jié)束語

圍繞工程教育專業(yè)認(rèn)證三個基本理念，對傳感器課程進(jìn)行改革。在教學(xué)大綱中修訂了支撐畢業(yè)能力要求的課程目標(biāo)；結(jié)合項(xiàng)目式教學(xué)，重新整合了教學(xué)內(nèi)容；在課堂教學(xué)中有機(jī)融入思政元素，與思政課形成協(xié)同效應(yīng)；依托“探索者”機(jī)器人創(chuàng)新平臺，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)；加大過程考核，使課程評價內(nèi)容覆蓋學(xué)生學(xué)習(xí)的各個環(huán)節(jié)。兩種分析法（課程考核過程分析法、修課學(xué)生調(diào)查問卷分析法）的課程目標(biāo)達(dá)成度評價數(shù)據(jù)顯示，學(xué)生掌握專業(yè)工程知識的能力得到提升，綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識分析解決工程實(shí)際問題的能力得到加強(qiáng)。綜合實(shí)踐項(xiàng)目的實(shí)施，極大地激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，也使學(xué)生在多個國家級專業(yè)學(xué)科競賽中屢次斬獲一、二等獎。同時融入思政元素的課堂，在傳授專業(yè)知識時，對學(xué)生價值觀的引領(lǐng)也是有效的。